锂电池的基本知识

锂电池的基础知识

便携式电子产品以电池作为电源。随着便携式产品的迅猛发展，各种电池的用量大增，并且开发出许多新型电池。除大家较熟悉的高性能碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外，还有近年来开发的锂电池。本文重要介绍有关锂电池的基础知识。这含它的特点、重要参数、型号的意义、利用领域及利用注意事项等。

　　锂是一种金属元素，其化学符号为Li(其英文名为lithium)，是一种银白色、十分柔软、化学性能生动的金属，在金属中是 轻的。它除了利用于原子能工业外，可制作特种合金、特种玻璃(电视机上用的荧光屏玻璃)及锂电池。在锂电池中它用作电池的阳极。

　　锂电池也分成两大类：不可充电的及可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能(或者还原性能极差)。而可充电的电池称为二次性电池(也称为蓄电池)。它能将电能转变成化学能储存起来，在利用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的，如电能化学能锂电池的重要特点：机动型便携式电子产品恳求尺寸小、重量轻，但电池的尺寸及重量与其它电子元器件相比往往是 大的及 重的。例如，想当年的“大哥大”是相当“粗大、笨重”，而今天的手机是如此的轻盈。其中电池的改良是起了重要作用的：过去是镍镉电池，现在是锂离子电池。

　　锂电池的 大特点是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表现。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升(体积单位)。这里举一个例来阐明：5号镍镉电池的额定电压为1.2V，其容量为800mAh，则其能量为0.96Wh(1.2V×0.8Ah)。同样尺寸的5号锂－二氧化锰电池的额定电压为3V，其容量为1200mAh，则其能量为3.6Wh。这两种电池的体积是雷同的，则锂－二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的3.75倍!

　　一节5号镍镉电池约重23g，而一节5号锂－二氧化锰电池约重18g。一节锂－二氧化锰电池为3V，而两节镍镉电池才2.4V。所以采用锂电池时电池数量少(使便携式电子产品体积减小、重量减轻)，并且电池的工作寿命长。

　　另外，锂电池具有放电电压牢固、工作温度领域宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。

　　锂电池的弊病是价格昂贵，所以目前尚不能广泛利用，重要利用于掌上电脑、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。随着技术的发展、工艺的改良及生产量的增长，锂电池的价格将会不断地降落，利用上也会更广泛。

不可充电的锂电池

　　不可充电的锂电池有多种，目前常用的有锂－二氧化锰电池、锂—亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。本文仅介绍前两种 常用的。

　　1?锂－二氧化锰电池(Li?MnO2)
　　锂－二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极，并采用有机电解液的一次性电池。该电池的重要特点是电池电压高，额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍)；终止放电电压为2V；比能量大(见上面举的例子)；放电电压牢固可靠；有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤2％)；工作温度领域－20℃～＋60℃。
　　该电池可以做成不同的外形以满足不同恳求，它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。圆柱形的也有不同的直径及高度尺寸。

　　2?锂－亚硫酰氯电池(Li?SOCl2)
　　锂－亚硫酰氯电池是比能量 高的一种，目前可达到500Wh/kg或1000Wh/L的程度。它的额定电压是3?6V，以中等电流放电时具有极其平坦的3?4V放电特点(可在90％容量领域内平坦地放电，保持不大的变更)。电池可以在－40℃～＋85℃领域内工作，但在－40℃时的容量约为常温容量的50％。自放电率低(年自放电率≤1％)、储存寿命长达10年以上。
利用注意事项

　　上述两种锂电池是一次性电池，不可充电(充电时有危险!)；电池正负极之间不可短路；不可以过大电流放电(超过 大放电电流放电)；电池利用至终止放电电压时，应从电子产品中及时取出；用完的电池不可挤压、焚烧及拆卸；不可超过规定温度领域利用。

　　由于锂电池的电压高于普通电池或镍镉电池，利用时不要搞错以免损坏电路。通过熟悉型号中的CR、ER就可以知道它的种类及额定电压。在购置新电池时，必定要按本来的型号来买，否则会影响电子产品性能。

可充电的锂电池

　　可充电的锂电池有多种，如锂-钒氧化物电池，锂离子电池及国外新开发的锂-聚合物电池等。这里仅介绍前两种，重点介绍锂离子电池。

　　可充电锂离子电池是目前手机中利用 广泛的电池，但它较为“娇气”，在利用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此，在电池上有掩护元器件或掩护电路以防止昂贵的电池损坏。

　　锂离子电池充电恳求很高，要保证终止电压精度在1%之内，目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC，以保证安全、可靠、快速地充电。

　　现在手机已十分广泛，手机中一部分是镍氢电池，但机动型的手机则是锂离子电池。正确地利用锂离子电池对延伸电池寿命是十分重要的。

1. 锂-钒氧化物电池(Li-V6O13)

　　锂-钒氧化物电池以锂为阳极、钒氧化物为阴极、无机盐的有机溶剂为电解质组成。它的特点是可以充电。以2号电池为例，将锂-钒氧化物电池与锂-二氧化锰电池及锂-亚硫酰氯电池相比较如表5所示。

　　由表5可知，由于锂-钒氧化物电池的额定电压仅为2.8V，而且额定容量也小，故与其它两种锂电池相比，其比能量是 小的。该类圆柱形电池的重要参数如表6所示。从表6可看出，其充电次数(循环寿命)也不长，所以这种可充电电池不久就由锂离子电池替代了。

2. 锂离子电池(Li-Ion)

　　锂离子电池是目前利用 为广泛的锂电池，它根据不同的电子产品的恳求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，并且有由几个电池串联在一起组成的电池组。

　　锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：阳极材料为石墨的4.2V；阳极材料为焦炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其放电曲线也略有差别，如图1所示。一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。锂离子电池的终止放电电压为2.5V～2.75V(电池厂给出工作电压领域或给出终止放电电压，各参数略有不同)。低于终止放电电压持续放电称为过放，过放对电池会有侵害。

　　锂离子电池不合实用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池生产工厂给出 大放电电流，在利用中应小于 大放电电流。
锂离子电池对温度有必定恳求，工厂给出了充电温度领域、放电温度领域及保存温度领域。
锂离子电池对充电的恳求是很高的，它恳求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%(例如，充4.2V的锂离子电池，其允差为±0.042V)，过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并恳求有限流电路以免产生过流(过热)。一般常用的充电率为0.25C～1C（C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA）。在大电流充电时往往要检测电池温度，以防止过热损坏电池或产生爆炸。

　　锂离子电池充电分为两个阶段：先恒流充电，到接近终止电压时改为恒压充电，其充电特点如图2所示。这是一种800mAh容量的电池，其终止充电电压为4.2V。电池以800mA(充电率为1C)恒流充电，开端时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近4.2V时，改成4.2V恒压充电，电流渐降，电压变更不大，到充电电流降为1/10C(约80mA)时，认为接近充满，可以终止充电(有的充电器到1/10C后启动定时器，过必定时间后结束充电)。

　　各种锂离子电池的性能如表7所示。

　　表7(a)型号中的6位数字，前两位为高度尺寸，中间两位为宽度尺寸，后两位为长度尺寸(mm)。例如LIS063048，其高为6.7mm，宽为29.9mm，长度为48mm。
　　表7(b)型号的四位数字中，前两位为直径，后两位为带一位小数点的高度尺寸。例如LIR2025，它的直径为20mm，高度为2.5mm。
锂离子电池掩护元件及掩护电路
　　锂离子电池在充电或放电过程中若产生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低利用寿命。为此，开发出各种掩护元件及由掩护IC组成的掩护电路。它安装在电池或电池组中，使电池获得完善的掩护。

1. 正温度系数聚合物掩护元件

　　Tyco公司 近推出了VLR230(5×12mm)及VLR170(3.6×10mm)自复式条状掩护元件，它专门用于锂离子电池或镍氢电池组作过流或过热掩护。它在正常温度时自身电阻极低(如VLR230的阻值为0.015Ω)，一旦超过阈值电流或阈值温度，电阻会急剧升高而起到掩护作用(该掩护元件串联在电池电路中，有的安装在电池中)。元件的特点如图3所示，电路如图4所示。这种掩护元件在有短路及过充或过放情况产生时，产生大批的热使电池温度升高，由于掩护元件的高阻抗而得到掩护。当故障排除或断开电路时，它有自复作用(即回到低阻抗)。
在60℃以下VLR170可供给700mA、VLR230可供给900mA充电或放电电流。两元件耐压均为12V。

2. 锂离子掩护器IC

　　Texas公司 近开发出内部集成了MOSFET开关的锂离子电池掩护器IC，其尺寸仅为4.55×3.44×0.88mm(型号为VCC3952A)，它实用于4mm厚的手机锂离子电池作掩护用。它外部仅需要一个0.1μF的表面贴装式电容。器件工作电流5μA，可通过3A电流，有4.2V～4.35V四个标准过压电压。它还可用于单锂离子电池中。

　　本刊2000年第5期发表了“锂-离子电池掩护器IC—AIC1811”一文。该文较详细地介绍了它的工作原理及有关电路，这里不再介绍。

　　 近Dallas公司开发了高精度锂离子电池监控器DS2760。它含一个锂离子电池掩护电路及一个25mΩ的电流敏感电阻(电流检测电阻)，该器件是3.25×2.75mm管芯封装。其中有10位电流A/D变换器、10位电压A/D变换器、一个正负10位温度传感器及EEPROM等。它采用单线与主系统通信来把持电池的充、放电，全面地掩护锂离子电池。

　　利用注意事项

　　锂离子电池利用注意事项除与上述不可充电的锂电池雷同外，在充电方面还应注意以下几点：
1. 锂离子电池有4.1V及4.2V终止充电的不同品种，因此在充电时注意的是4.1V的电池不能用4.2V的充电器充电，否则会有过充的危险(4.1V与4.2V的充电器用的充电器IC是不同的!)。
2. 对电池充电时，其环境温度不能超过产品特点表中所列的温度领域。
3. 不能反向充电。
4. 不能用充镍镉电池的充电器(充三节镍镉电池的)来充锂离子电池(虽然额定电压一样，都是3.6V)，但充电方法不同，容易造成过充。
在放电方面应注意以下几点：
1. 锂离子电池放电电流不能超过产品特点表中给出 大放电电流。放电电流较大时，会产生较高的温度(损耗能量)，减少放电时间，若电池中无掩护元件会产生过热而损坏电池。
2. 不同温度下放电曲线是不同的，如图5所示。从图中可以看出，在不同的温度下，其放电电压及放电时间也不同。在-20℃放电时情况 差。

在贮存方面：

1. 电池若长期贮存，要保持在50%放电态。

2. 电池应保存在低温、干燥坏境中。

3. 要远离热源，也不要置于阳光直射的处所。